自蔓延高温合成大块非晶合金和非晶基复合材料技术

摘要

自蔓延高温合成大块非晶合金和非晶基复合材料技术属于材料制备技术领域,其基本要素为:(1)粉末混合体组分设计,(2)粉末的混合、压制成型及外热源点火,(3)利用快速自动波燃烧的自维持放热反应,并通过调整热的释放、传输及冷却速度获得所需成分的大块非晶合金或非晶基复合材料。比其它大块非晶及非晶基复合材料的制备方法相比,本发明具有节能、方便、快捷、设备简单等特点。

说明书

本发明属于材料制备技术领域。

非晶金属合金作为一种新型材料，不仅具有高的强度、韧性、耐磨性和耐蚀性，而且还表现出优良的软磁性，超导特性，低磁损耗等特点，而受到人们极大关注。然而制备非晶态合金通常需要极高的冷却速度，其临界冷却速度一般需要大于10⁵k/s。因此利用熔体快淬、薄膜工艺等传统方法只能制备出薄带、细丝和粉末状的非晶合金，这在很大程度上限制了非晶合金的应用。为此，人们开始致力于高非晶形成能力的大块非晶合金材料的研究工作，并发现了一系列临界冷却速度很低的非晶合金成分，如Zr基、Ti基、Pd基等合金系，其中典型的Zr基非晶的极限冷却速度仅在1K/s。但是，其形成和成型仍然需要工艺复杂的高温熔化和随后的快速凝固，如铜膜铸造、吸铸、压铸等方法，并需要考虑界面形核的负面影响。

本发明的目的就是提供一种节能、方便、快捷的制备大块非晶合金和非晶基复合材料的自蔓延高温合成大块非晶合金和非晶基复合材料技术。

本发明的原理是，大块非晶合金为多组元组成，组元的原子尺寸有较大的差异，一般在12％以上，主要组元间具有很大的负的混合焓。近期我们注意到许多大块非晶合金系主要组元间也能发生强烈的自维持放热反应，如Zr-Al-Ni-Cu系中的Zr-Al，Zr-Ni，Zr-Cu，Al-Ni等均为已知的能够发生自蔓延反应的金属间化合物体系。因此，通过控制初始成分及组元间自维持放热反应过程，可以生成粘度高的液相产物。依成分和冷却过程的不同，最终凝固组织可以分成两类，一是通过精确控制成分和冷却过程，使晶体相的形核及生长将被动力学条件所抑制，导致形成整体非晶合金；二是在成分控制不够严格，冷速不足，或有意添加增强相组元条件下，合成非晶基复合材料。非晶相的比例受功率、粉末颗粒尺寸、压坯密度及尺寸、冷却条件、保护气氛及压力等多因素影响，如非晶体积分数分别随引燃时激光功率的增加和冷却速度的提高而增大。

本发明的技术解决方案是，将具有很强的非晶形成能力、组元间能发生强烈的自维持放热反应的大块非晶组元粉末混合，压制成型，置于保护气氛内，保护气氛是惰性气体或真空状态，启动外热源，在压胚一端点火引燃，燃烧反应结束后立即冷却，冷却速度大于非晶临界冷却速度，生成大块非晶合金，冷却速度不大于非晶临界冷却速度，生成非晶基复合材料，在大块非晶组元粉末中添加增强相组元，生成非晶基复合材料。

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，

实施例1：Zr₆₅Al_7.5Ni₁₀Cu_17.5的自蔓延反应合成大块非晶合金

Zr₆₅Al_7.5Ni₁₀Cu_17.5粉末混合体系经压制成相对密度为70％，直径为5mm，厚为6mm压胚后，在氩气保护下，启动激光点火，激光功率为1.8Kw，光斑直径为5mm，经过自维持放热反应后，以16k/s冷速冷却，获得大块非晶合金。

实施例2：Zr₆₅Al_7.5Ni₁₀Cu_17.5的自蔓延反应合成非晶基复合材料

Zr₆₅Al_7.5Ni₁₀Cu_17.5粉末混合体系经压制成相对密度为70％，直径为5mm，厚为6mm压胚后，在氩气保护下，启动激光点火，激光功率为1.8Kw，光斑直径为5mm，经过自维持放热反应后，以8k/s冷速冷却，获得由非晶合金和锆铝金属间化合物组成的复合材料。

实施例3：掺杂C的Zr₆₅Al_7.5Ni₁₀Cu_17.5合金的自蔓延反应

向Zr-Al-Ni-Cu基体组元内添加2-10wt.％碳粉，经压制成相对密度为70％，直径为5mm，厚为6mm压胚后，在氩气保护下，启动激光点火，激光功率为2.2Kw，光斑直径为5mm，经过自维持放热反应后，以16k/s速度冷却，生成ZrC颗粒增强非晶基复合材料。